O‘zbekiston respublikasi oliy va o‘rta maxsus ta'lim vazirligi ajiniyoz nomidagi nukus davlat pedagogika instituti fizika-matematika fakulteti fizika o‘qitish metodikasi kafedrasi

I.BOB ELEMENTAR ZARRALAR FIZIKASI
1.1.ELEMENTAR ZARRALARNING KASHF ETILISHIGA OID MA’LUMOTLAR
Elementar zarralar fizikasi fizika fanlari ichida, jumladan yadro fizika kursining tarixan eng so‘nggi yillarida tarkib topgan bo‘limlaridan hisoblanadi. Hozirgi vaqtda fizikaning, jumladan yadro fizikaning boshqa bo‘limlari bo‘yicha, fundamental qonuniyatlar o‘rganilgan bo‘lsa, elementar zarralar fizikasida bu muammolar to‘la hal etilmagan. Elementar zarralar tushunchasi o‘zi murakkabdir. Dastlab bu tushuncha tarkibiga boshqa zarralar kirmagan, ichki strukturaga ega bo‘lmagan sodda tuzilgan zarralar uchun qo‘llanilgan. Lekin, fanning rivojlanishi bilan elementar deb hisoblangan zarralar murakkab tuzilishga ega ekanligi ma'lum bo‘lib, ko‘p zarralar elementar emasligi aniqlandi. Shunday qilib, elementarlik tushunchasi fan taraqqiyoti bilan o‘zgarib kelmoqda. Yaqin vaqtlargacha proton, neytron, mezonlarni Koinotni tashkil etgan materiyaning bo‘linmas boshlang‘ich elementlari, ya'ni dunyo tuzilishining eng kichik “g‘ishtchalari” deb hisoblanib kelingan edi. Ammo mikrodunyo tuzilishining elementar zarralar ustidan hozirgi zamon tadqiqotlari ularning ma'lum sharoitlarda bir-biriga aylanishligini aniqladi. Masalan, proton yadro tarkibida neytronga va aksincha, neytron protonga aylanishi mumkin. Lekin, bundan proton-neytron, pozitron va neytrinodan, neytron esa proton, elektron, antineytrinodan tashkil topgan degan ma'no kelib chiqmaydi. Hozirgi vaqtda ko‘plab zarralar aniqlandi, bu zarralar tarixan nomlanishi bo‘yicha elementar zarralar deb ataladi. Lekin haqiqiy elementar zarralar yoki fundamental zarralar mavjud deb qaraladi, uni aniqlashlik muammosi kun tartibidan olingan emas. Bugungi kunda elektron, myuon, taon va bularning antizarralari hamda ularning neytrinolari, kvarklar, fotonlar, oraliq bozonlar haqiqiy elementar zarralar deb hisoblanadi. Elementar zarralar kashf etilishining tarixiy davrlariga nazar tashlasak, 1930-1935 yillarda atom nazariyasi asosan tugallangan edi. Oddiy holatdagi moddaning deyarli hamma xossalari musbat zaryadli yadro atrofida harakat qiluvchi manfiy zaryadli elektronlar deb qarab, matematik yo‘l bilan keltirib chiqarilishi mumkin edi. Bu davrga kelib elementar zarralardan elektronni 1895-yili ingliz fizigi J.Tomson katod nurlarini o‘rganishda kashf etdi. 1919-yili Rezerford hamma yadrolar tarkibiga kiruvchi protonni, 1932-yili J.Chedvik massasi proton massasiga yaqin zarra neytronni kashf etdilar. Elektromagnit maydon kvanti foton tushunchasini birinchi marotoba fizika faniga M. Plank va A. Eynshteyn ishlari asosida kiritildi. A. Kompton ishlari asosida esa foton elementar zarralar qatoriga kiritildi. Foton elektromagnit maydon kvant bo‘libgina qolmay, elektromagnit ta'sirni tashuvchi vositachi zarradir. Fotonni zarraga o‘xshatish mumkin. Ular xuddi zarralardek o‘z impulsiga P = mc=E/c ega. U zarralardek boshqa zarralar bilan to‘qnashadi. Lekin tinch holatdagi massasi nolga teng.
1928-yilda ingliz fizigi P. Dirak elektron harakati tenglamasining simmetriyasiga asoslanib, massasi elektronning massasiga teng, lekin musbat zaryadli zarra pozitronning tabiatda mavjud bo‘lishligini nazariy yo‘l bilan isbotladi. Bu zarrani 1932-yilda amerikalik fizik K. Anderson koinot nurlar tarkibida mavjud ekanini tajribada kuzatdi. 1935-yili X.Yukava yadro kuchlar tabiatini tushuntirish uchun mezon zarralar bo‘lishligini aytdi. Bu aytilgan zaryadli π- mezonlarni 1947 -yil
S. Pauell va J. Okkialip, 1950-yili R.Berklund neytral π⁰-mezonni kashf etishdilar.
1937- yili K. Anderson va S. Nedermeyerlar μ- mezonni aniqladilar. Dastlab μ-mezonlar yadro kuchlari vositachisi deb qaraldi, keyinchalik bu xulosa noto‘g‘ri ekanligi μ-mezon elektronga o‘xshash og‘ir zarra ekanligi ma’lum bo‘ldi. 1975-yili M.Perl tomonidan elektron xususiyatiga o‘xshash (lepton, o‘ta og‘ir taon τ-mezon topildi). 1930-yili V. Pauli β- yemirilishda neytrino bo‘lishligini bashorat qildi. 1950-yil o‘rtalarida Reynes va K. Kouenlar antineytrinoni tajribada aniqladilar. Hozir uch xil elektron neytrino, myuon neytrino va taon neytrinolar mavjud. O‘sha paytda atom yadrosini proton-neytronlardan iborat, yadroda nuklonlar pionlar almashinuviga ko‘ra mavjud, neytrino β-yemirilishda saqlanish qonunlarini bajarilishini ta’minlaydi deb qaraldi.
1950-yillarga kelib o‘rtacha yashash vaqti τ~10^-10 s bo‘lgan massalari elektrondan og‘ir protondan yengil bo‘lgan ko‘plab mezon zarralar aniqlandi. Bu davrda massalari proton massasidan katta bo‘lgan ko‘plab giperonlar ham aniqlandi. 1960-yillarda tezlatgichlar yordamida ko‘plab antizarralar, g‘alatizarralar, yashash vaqti 10^-22 sekund bo‘lgan o‘ta qisqa yashovchi rezonans zarralar kashf etildi. Hozirgi vaqtda zarralar soni bir necha yuzdan oshib ketdi. Zarralarning yuqori energiyalarda o‘zaro ta'sirlashuvlarida yutilishi, bir-birlariga almashinishi va yangi zarralar tug‘ilishi zarralarni mana shu zarralardan tashkil topgan deyishlik imkoniyatini bermaydi. Shuning uchun dunyoning haqiqiy elementar g‘ishtchalarini aniqlashlik qiyin bo‘lib qoldi. 1960-yillardan boshlab o‘rganilgan yuzlab elementar zarralarni sistemalashtirish qaysi ta'sirlashuvlarga qatnashishiga ko‘ra toifalash, bunda ko‘pgina kvant sonlari va bu kvant sonlarining ta'sirlashuvlarda saqlanishiga alohida e'tibor qaratildi. Zarralar nihoyatda ko‘p elastik va noelastik sochilish jarayonlarida hamda ko‘p tug‘ilish va parchalanish reaksiyalarida ishtirok etadi. Bunday ko‘p turli xil aylanishlarni to‘rt tipdagi fundamental o‘zaro ta'sir boshqaradi. Ularni fizik jarayonlar va hodisalarning belgisi deb ham qarash mumkin. Har qanday o‘zaro ta'sirni uchta parametr bilan tavsiflash mumkin: intensivlik, ta'sir radiusi va uning elementar akti amalga oshiriladigan vaqt. Ularning qiymatlari quyidagi 1-jadvalda keltirilgan.
Ma'lumki, kuchli o‘zaro ta'sir nuklonlar orasida intensiv ta'sirlashuviga ko‘ra yadroning mavjudligini ta'minlaydi. Bu kuchli o‘zaro ta'sir nuklonlar orasida vujudga kelib qolmasdan pionlar, kaonlar, giperonlar kabi ko‘plab zarralar o‘rtasida ham ro‘y beradi. Bundan tashqari kuchli ta'sirlashuvli yuqori energiyali zarralar to‘qnashuvlarida intensiv yangi zarralarning tug‘ilishi kuzatiladi. Zarralar o‘rtasida kuchli o‘zaro ta'sirning muhim xususiyatlaridan bir bu ta'sir doirasining juda kichikligida tabiatda eng yaqin ta'sirlashuvchidir kuchligidir. Ularning roli 1 fermidan katta masofalarda yo‘qola boshlaydi.(Shuning uchun yadrolar xarakterli masofalari 100000 fermi bo‘lgan atom hodisalariga umuman ta'sir qilmaydi).
1-jadval

O‘zaro ta’sir	Ta’sirlashuv vositasi	Intensivlik	Ta’sirlashuv radiusi	Xarakterli vaqt (τ, s)
Kuchli	Glyuonlar	-	m
Elektromagnit	Fotonlar		∞
Kuchsiz	O‘rtacha bozonlar		m
Gravitatsion	Gravitonlar		∞	-

Ularning boshqa zaif tomoni universal emasligidadir. π-mezondan yengil zarralar (foton, elektron, pozitron, myuon, neytrino va b.) o‘zaro kuchli ta’sirda bo‘lmaydi, kuchli ta’sirlashuv tufayli bo‘ladigan to‘qnashuvlarda bu zarralar tug‘ilmaydi. Uchinchi xususiyati shundan iboratki, ko‘pgina saqlanish qonunlari boshqa kuchlar ta'sirida bajarilmaydi, faqat kuchli kuchlar ta'sirida o‘tadigan jarayonlarda eng ko‘p saqlanish qonunlari bajariladi. Har bir saqlanish qonuni ma'lum simmetriyaning miqdoriy ifodasidir. Demak, kuchli o‘zaro ta'sir eng ko‘p simmetriyaga ega. Bir-biri bilan kuchli o‘zaro ta'sirida bo‘luvchi zarralar adronlar (grekcha hadros so‘zidan olingan bo‘lib – katta, kuchli demakdir) deb ataladi. O‘z navbatida adronlar ham ikki guruhga bo‘linadi: barionlar – yarim butun spinli zarralar va mezonlar – butun spinli zarralar. Barionlar qatoriga nuklonlar va antinuklonlar hamda ancha og‘ir zarralar giperonlar va rezonanslar kiradi. Yarim butun spinli zarralar Fermi-Dirak statistikasiga bo‘ysunadi va shuning uchun fermionlarga taalluqli bo‘ladi. Mezonlarga pionlar, K-mezonlar va boshqa ancha og‘ir zarralar (pionlar va kaonlar sistemasidagi rezonans “maftunkor” zarralar va h.k.) taalluqlidir. Bu zarralarning butun sonli spini ularning Boze-Eynshteyn statistikasiga mansubligini belgilaydi, ya'ni ular bozonlardir.
Ta'sirlashuvning intensivligi bo‘yicha navbatda elektromagnit ta'sirlashuvi turadi. Zarralarning elektromagnit o‘zaro ta'sir kuchi kuchli o‘zaro ta'sirga qaraganda ancha zaif, boshqa kuchlarga nisbatan esa o‘ta kuchlidir. Elektromagnit kuchlarining ta'sir doirasi 10^-10 metrdan tortib kosmik masofagacha davom etadi. Ko‘pchilik fizik hodisalar: atom va molekulalar tuzilishi, kristallar, ximiyaviy reaksiyalar, jismlarning termik va mexanik xususiyatlari, radioto‘lqinlar, quyosh va yulduzlarning nurlanishi kabi hodisalar elektromagnit kuchlarining ta'sir doirasiga kiradi.
Elektromagnit o‘zaro ta'sir turli zarralarda har xil shiddat bilan namoyon bo‘ladi. Elektr zaryadiga ega bo‘lgan zarralarda katta elektromagnit o‘zaro ta'sirlar vujudga keladi. Massa va spini nolga teng bo‘lmagan zaryadsiz zarralar o‘zaro kuchsiz elektromagnit o‘zaro ta'sirda bo‘ladi. Eng kuchsiz elektromagnit o‘zaro ta'sirda neytral, spinsiz zarralar bo‘ladi. Zarralardan neytrino elektromagnit ta'sirni sezmaydi. Elektromagnit kuchlarining ta'sir doirasida shunday saqlanish qonunlari borki, bu qonunlar kuchsiz o‘zaro ta'sir doirasida buziladi. Elektromagnit o‘zaro ta'sirning muhim xususiyati Kulon qonuniga asosan itarilish va tortilish kuchlarining mavjudligidadir. Shuning uchun yig‘indi zaryadi nol bo‘lgan har qanday sistema qisqa ta'sir radiusiga ega bo‘ladi. Masalan, atomlar yoki istalgan ikki jism orasidagi o‘zaro ta'sir kulon kuchlari ta'sir radiusi cheksiz bo‘lishiga qaramasdan o‘zaro ta'sirlashmaydi. Mikrodunyoda u yoki bu hodisaning o‘tish vaqti zarralar “hayotida” asosiy ko‘rsatkichlardan biri hisoblanadi. Zarralarda bo‘ladigan xarakterli jarayonlar kuchli o‘zaro ta'sir ostida - ichida yuz bersa, elektromagnit o‘zaro ta'sir ostida - s ichida yuz beradi. Bundan ham sekinroq jarayonlar zarralarning kuchsiz o‘zaro ta'siri ostida o‘tadi. Kuchsiz o‘zaro ta'sir kuchli o‘zaro ta'sirga nisbatan marta zaifroqdir. Lekin juda kichik masofalarda kuchsiz o‘zaro ta'sir elektromagnit o‘zaro ta'sirdek kuch bilan namoyon bo‘lishi kerak. Kuchsiz o‘zaro ta'sirning sekin va kuchsiz o‘tishining sababi uning ta'sir doirasining kichikligidir. Qisqacha aytganda, zarralarning “fotonli” o‘zaro ta'sir istalgancha masofalargacha yetsa, kuchsiz o‘zaro ta'sirni tashuvchi vositachi zarralarning “makoni” juda kichik. Xuddi mana shu sohada kuchsiz o‘zaro ta'sir elektromagnit o‘zaro ta'sir bilan barobar bo‘ladi, lekin zarralar o‘rtasida o‘ta kichik masofalar juda kam hosil bo‘ladi. Zarralar bir-birining yonidan kuchsiz o‘zaro ta'sir sohasi radiusidan katta masofalarda o‘tish ehtimoli kattaroq. Faqat yuqori energiyalardagina ularning bir-biriga yaqin kelish ehtimoliyati oshadi va kuchsiz o‘zaro ta'sir intensivligi kuchayadi. Shunday qilib, kuchsiz o‘zaro ta'sirning ta'sir radiusining kichikligi uning haqiqiy kuchini hisoblaydi. Kuchsiz o‘zaro ta'sirni yaqqol ko‘z oldimizga keltirish uchun kuchli, elektromagnit va kuchsiz o‘zaro ta’sirlarni birma-bir tabiatda yo‘q, deb faraz qilaylik. Agar kuchli o‘zaro ta’sir bo‘lmaganda edi, π- mezonlardan yengilroq zarralarda va ular bilan bog‘liq bo‘lgan fizik hodisalarda aytarli o‘zgarishlar bo‘lmasdi. Lekin og‘ir zarralar butunlay bo‘lmas yoki mutloqo boshqa zarralardan iborat bo‘lar edi. Shuning uchun dunyo yaxlit holda butunlay boshqacha bo‘lardi. Elektromagnit o‘zaro ta’sir bo‘lmaganida esa tabiatda π-mezonlardan og‘ir zarralargina qolar edi. Massasi deyarli bir xil, lekin faqat zaryadlari bilan farq qiladigan zarralarni bir-biridan endi ajratib bo‘lmas edi(masalan, protonni neytrondan, uchala π-mezonlarni bir-birlaridan va h.k.). Atom va undan ham katta masshtablarda dunyo o‘zgarib ketardi. Atom ham, molekula ham, yorug‘lik ham, jism ham bo‘lmasdi. Biroq kuchsiz o‘zaro ta'sir bo‘lmasa, zarralardan faqat neytrino bo‘lmaydi, xolos. Qolganlari aytarli o‘zgarmaydi. Yadrolar, atomlar, molekulalar, kristallar avvalgidek mavjud bo‘ladi. Barqaror zarralarning soni, binobarin, atomlar atomlar darajasidan tortib materiyaning tuzilish shaklllari ancha ko‘p bo‘ladi. Kuchsiz o‘zaro ta'sirning yo‘qligi atomlar, molekulalar, jismlar tuzilishi nuqtai nazaridan aytarli o‘zgarishga olib kelmas edi. Aksincha, dunyo juda turli-tuman bo‘lardi. Kuchsiz o‘zaro ta’sirning mavjudligi ba’zi bir zarra va jismlarning ba’zi tuzilish formalarini barqaror qiladi. Shunday qilib, kuchsiz o‘zaro ta’sir ko‘proq zarralarning parchalanishi bo‘yicha “mutaxassis”dir. Masalan, μ-mezonlar zaryadli π-mezonlar, neytron va boshqa bir guruh og‘ir zarralarning parchalanishi faqat kuchsiz o‘zaro ta’sir orqaligina ro‘y beradi. Kuchsiz o‘zaro ta’sir kuchli va elektromagnit o‘zaro ta’sirlarga qaraganda kamroq simmetriyaga ega, ya’ni saqlanish qonunlari ko‘proq buziladi. Hozircha kuchsiz o‘zaro ta'sirda mikrodunyodagi jarayonlarning o‘ngni chap bilan, chapni o‘ng bilan, zarrani antizarra bilan, antizarrani zarra bilan almashtirishga nisbatan bo‘lgan simmetriyasi buzildi. Kuchsiz o‘zaro ta'sir o‘ngni chap, zarrani antizarra bilan almashtirishdan iborat murakkab simmetriyaga ham ega emas. Gravitasion o‘zaro ta'sir biz bilgan o‘zaro ta'sirlar ichida eng zaifidir. Tabiatda mavjud to‘rtta o‘zaro ta'sir ichida zarralarning o‘zaro gravitasiya ta'siri uchun xarakterlovchi vaqtning kattaligi va unga xos ta’sir kuchining juda kichikligi sababi deyarli hozirgacha elementar zarralar nazariyasida e’tiborga olinmaydi.